高溫熱害對棉花蕾鈴脫落的影響分析

向 導，楊明鳳，張 玲，張 明，王雪姣

（1.烏蘭烏蘇農業氣象試驗站，新疆 石河子 832000；2.石河子氣象局，新疆 石河子 832000；3.新疆農業氣象臺，烏魯木齊 830002）

新疆維吾爾自治區（以下簡稱新疆）屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候區，具有豐富的光熱資源，已成為中國最大的優質棉生產基地，棉花（Gossypiumspp.）種植面積占全國80%以上。適宜的溫度是作物生長發育的必需條件，而過高的環境溫度會導致光合速率下降、呼吸作用增強，引起生理性早衰；高溫天氣影響棉花器官的發育，使柱頭上花粉量及萌發花粉量減少，畸形花藥增多、花粉活力降低、棉鈴較小、僵小鈴增多［1-6］，致使蕾鈴脫落，產量和品質降低［7，8］。趙鴻等［9］、王苗苗［10］、宋桂成等［11］認為棉花花鈴期適宜溫度為25～30℃，當日平均溫度≥30℃時，開花期間蕾鈴脫落數量增加，≥33℃以上的持續高溫，棉花的花器官柱頭發生異變，變為長柱頭花，花粉粒敗育，影響正常授粉，最終影響棉花產量［12-14］。在高溫脅迫下，日最高溫度每升高1℃，棉花減產110 kg∕hm2［15，16］。在棉花實際生產中，受不穩定氣候因素和棉花生理機制的影響，蕾鈴脫落十分普遍，嚴重的高達60%～70%［17-20］。近年來，全球氣候變化異常，高溫熱浪事件愈來愈頻繁，棉花產量形成的關鍵期（6—8月），也是一年中極端高溫天氣發生最為頻繁的季節，花鈴期高溫脅迫導致棉花減產的現象在新疆區域頻繁發生［21-23］。

本研究通過人工氣候室模擬高溫試驗，分析石河子墾區高溫熱害對棉花葉蕾鈴脫落的影響，并通過歷史氣象資料分析，明確該地區高溫變化規律，為當地棉花高產栽培和防災減災提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點在烏蘭烏蘇國家一級農業氣象試驗站（圖1），N44°17′—E85°49′，海拔468.5 m，位于準噶爾盆地南緣，處于天山北坡中心位置，氣候屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱，年平均氣溫7.4℃，日照時間約2 862.1 h，無霜期約180 d，年降水量230.8 mm，年蒸發量1 604.9 mm。

圖1 研究區域

1.2 試驗設計

棉花高溫脅迫蕾鈴脫落試驗于2019年在烏蘭烏蘇農業氣象試驗站人工氣候室進行。品種為當地主栽品種新陸早64號，4月中旬于盆缽（長、寬、深分別為58、18、27 cm）中播種，每盆2株。將盆缽埋于氣象觀測場東北約30 m處棉花試驗田中，使盆缽上沿與地面持平，始終保持其土壤有效含水量為（70±5）%。現蕾中期（7月21日）移至人工氣候箱進行高溫模擬試驗，處理完后移回自然環境中生長至吐絮成熟。整個試驗過程中棉花田間管理措施與高產栽培要求一致。試驗設置2個溫度梯度（35、38℃）、3個持續時間（3、6、9 d），共6個處理，每個處理3次重復。對照（CK）盆缽置于棉花試驗田內，植株始終在自然環境中生長，3次重復。盆栽均是7月21日放入人工氣候箱，處理3、6、9 d分別是從7月24日、7月27號、7月30號開始試驗調查，共調查7次。

1.3 試驗期間氣象資料

1964—2019年氣象資料來自于烏蘭烏蘇農業氣象試驗站。試驗期間氣象條件見表1。

表1 2019年7月24日至8月16日 氣象 資料

2 結果與分析

2.1 高溫對棉花葉片脫落的影響

棉花存在自然落葉的生理現象，CK 21 d內葉片脫落率（落葉率）為7.9%。不同高溫處理后，供試植株葉片出現不同程度的異常脫落現象，落葉率大幅上升。在相同處理時間下，不同高溫處理的落葉率隨著時間推移呈上升趨勢，且處理的溫度越高落葉率越高；在相同高溫處理下，高溫處理的時間越長，其落葉率越高。在2個高溫處理下（35、38℃），植株落葉率隨時間推移呈上升趨勢，最后趨于平穩。

由圖2所示，經過3 d高溫處理，35℃高溫處理后21 d的落葉率為27.7%，比CK增加19.8個百分點；38℃高溫處理后的落葉率為32.6%，落葉率比CK增加24.7個百分點。經過6 d高溫處理，35℃高溫處理后21 d的落葉率為35.9%，比CK增加28.0個百分點；38℃高溫處理21 d的落葉率為40.3%，落葉率比CK增加32.4個百分點。經過9 d高溫處理，35℃高溫處理21 d的落葉率為58.6%，比CK增加50.7個百分點；38℃高溫處理落葉率為60.2%，落葉率比CK增加52.3個百分點。高溫處理6、9 d后，供試樣品搬出人工氣候箱，落葉率迅速下降，觀測9 d后的葉片落葉率逐漸趨于平穩。在經受一定強度的異常高溫后，植株通過脫落葉片減少能量消耗，當環境適宜時，植株又能繼續生長。

圖2 高溫處理3、6、9 d后落葉率

2.2 高溫對蕾鈴脫落的影響

棉花存在自然蕾鈴脫落的生理現象，通過試驗監測，CK 21 d的蕾鈴自然脫落率為22.7%。經過不同高溫處理，供試棉株的蕾鈴隨時間推移有不同程度的異常脫落現象，高溫熱害使蕾鈴脫落率大幅上升。在不同高溫脅迫下，供試棉株隨著高溫脅迫時間的推移，其蕾鈴脫落率均呈上升趨勢。溫度越高蕾鈴脫落率也越高，即38℃＞35℃＞CK；在相同高溫脅迫下，經受高溫時間越長其蕾鈴脫落率越高，即9 d＞6 d＞3 d。

由圖3所示，經過3 d高溫處理，35℃高溫處理后21 d的蕾鈴脫落率為40.4%，比CK增加17.7個百分點；38℃蕾鈴脫落率為46.1%，比照CK增加23.4個百分點。經6 d高溫處理，35℃高溫處理后21 d的蕾鈴脫落率為42.5%，比CK增加19.8個百分點；38℃蕾鈴脫落率為49.6%，比CK增加26.9個百分點。經過9 d高溫處理，35℃高溫處理后21 d的蕾鈴脫落率為56.4%，比CK增加33.7個百分點；38℃蕾鈴脫落率為60.2%，比CK增加37.5個百分點。高溫處理6、9 d后，供試樣品搬出人工氣候箱后蕾鈴脫落率迅速變緩，說明在高溫下，蕾鈴脫落增多，回到正常溫度后脫落減緩。棉花高溫熱害脅迫后，棉花生殖器官受到影響，花粉量減少，畸形花藥增多、棉鈴縮小、僵小鈴增多，與龔照龍等［7］、金桂紅等［8］研究結果一致。

圖3 高溫處理3、6、9 d后蕾鈴脫落率

2.3 石河子墾區近56年高溫的變化規律

2.3.1 高溫日數發生特征石河子墾區1964—2019年高溫日數及極端高溫情況見表2。1964—2019年平均≥35℃高溫日數為13.2 d，超過3 d的集中在6—8月，占全年的76.3%，其中7月最多，占33.0%；≥38℃高溫日數年平均為5.8 d，分布在5—8月，7月最多，占全年的32.8%；≥40℃高溫1964—2019年共出現3次，分別出現在1965、1974、1975年。

表2 石河子墾區1964—2019年高溫日數及極端高溫統計

2.3.2 ≥35℃高溫初、終日年際變化石河子墾區1964—2019年≥35℃高溫的初日、終日年際變化見圖4。從≥35℃的高溫初日來看，主要集中在6、7月，最早出現在4月30日（1997年），最晚出現在8月2日（1972年）；≥35℃初日年際變化提前趨勢不明顯，傾向率為-1.3 d∕（10 a）（r≈0.117，P＞0.5）；其中1964—1970年、2011—2019年接近平均值，在6月11—14日；1981—1990年偏 晚，平均在6月22日；1990—2010年明顯提前，平均在6月3—4日。≥35℃的高溫終日，平均結束在8月17日，最早結束于7月3日（1993年），最晚結束于9月29日（1985年）；≥35℃終日年際變化趨勢平穩，傾向率為-0.087 d∕（10 a）（r≈0.0，P＞0.5）。

圖4 ≥35℃高溫初日、終日年際變化趨勢

2.3.3 ≥35℃高溫日數年際間變化1964—2019年石河子墾區極端最高氣溫41.6℃出現在1975年，≥35℃高溫日數平均為17.6 d，56年間，≥35℃高溫日數≥10 d有40年，概率為71.4%；≥15 d有21年，概率為37.5%；≥20 d有9年，概率為16.1%；≥25 d有4年，概率為7.1%；超過30 d的有2年，概率為3.6%。由圖5所示，≥35℃高溫日數年際變化呈微弱上升趨勢，傾向率為0.009 d∕（10 a）（r=0.022，P＞0.5），不顯著；1964—1974年、1993—2008年高溫日數變化幅度較大，而1975—1992、2009—2019年高溫日數變化幅度相對較小。≥35℃高溫日數標準偏差為6.3 d，即石河子墾區≥35℃高溫日數正常變化在7～20 d。

圖5 ≥35℃高溫日數年際間變化

統計分析得出，新疆石河子墾區≥35℃高溫日年年存在，出現連續3 d高溫以上的年份占76.3%。1981年以來最長連續高溫日為10 d，出現在1998年和2015年的7月份。2008年5—8月出現6個連續3 d以上高溫日。這些連續高溫日主要分布在6、7、8月內，并以7月居多，占75.9%。連續4 d以上高溫日概率為56.4%，連續5 d以上高溫日概率為35.9%，連續6～10 d的概率為28.2%。以上分析結果可以看出，石河子墾區高溫熱害十分嚴重。

3 小結與討論

棉花遭受高溫熱害后，其葉片、蕾和幼鈴均出現異常脫落現象。在35、38℃高溫試驗處理情況下，高溫持續時間越長，其落葉率、蕾鈴脫落率越高；溫度越高，棉花葉片、蕾和幼鈴脫落率越高。試驗中發現當棉花受熱害之后蕾鈴先于葉片出現異常脫落，并且脫落的數量也高于葉片。石河子墾區≥35℃高溫主要出現在6—8月，并以7月最多，連續3 d以上高溫日出現概率高達76.3%，基本上3年兩遇。棉花6月現蕾，7月開花［24］，生育期與石河子墾區高溫出現時段相吻合，所以也使棉花受熱害最為嚴重。

棉花受高溫熱害之后，直接影響棉花器官的發育，光合作用減弱，呼吸作用增強，蒸騰的提高，引起花粉活力降低，蕾鈴脫落［4-6］。受高溫脅迫，棉花柱頭上花粉量及萌發花粉量減少，畸形花藥增多、棉鈴較小、僵小鈴增多［7，8］，葉片、蕾和幼鈴脫落，最終導致棉花減產。高溫是石河子墾區棉花栽培的主要氣象災害之一，因此，深入開展高溫防御方法研究，減少高溫熱害對棉花生長的不利影響很有必要。

4 高溫熱害防御措施

4.1 適時早播

石河子墾區棉花播種多集中在4月下旬，從近年春播期氣溫變化分析，日平均氣溫≥10℃初日在4月上旬，終霜提前至4月中旬，采用覆膜技術，播種期可提前至4月中旬。促進棉花早發，棉花的生育進程加快，使其早現蕾、早開花，提前進入花鈴期，以增強抗逆性。

4.2 平衡施肥精細管理

深施基肥、輕苗肥，穩蕾肥、重施花鈴肥［7］，適時打頂整枝，塑造合理株型，控制頂端營養生長，調節棉株內部物質循環，促進營養向蕾鈴輸送。培育壯苗強株，提高棉株的抗逆性。使棉株“壯而不旺，穩健生長”。

4.3 滴灌、噴灌相結合降低高溫傷害

石河子墾區作物生長季降水量只有150 mm左右，棉花灌溉用水主要來于地下水。為了節水，目前棉花以膜下滴灌為主，為降低高溫災害風險，可安裝膜下滴灌與噴灌系統相結合的水利設施，遇高溫天氣可采用空中噴霧降低棉田溫度，避免高溫傷害，減少蕾鈴脫落。